23种设计模式之单例（Singleton Pattern）

单例

在软件系统中，经常有这样一些特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个实例（eg：应对一些特殊情况，比如数据库连接池(内置了资源)  全局唯一号码生成器），才能确保它们的逻辑正确性、以及良好的效率。

优点：单例的好处就是单例，就是全局唯一的一个实例
单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例

缺点：单例可以避免重复创建，但是也会常驻内存 除非是真的有必要，否则不要单例

使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类

如何绕过常规的构造器，提供一种机制来保证一个类只创建一个实例？

如何实现？将构造函数私有化，然后对外提供一个公开的静态方法，使用一个静态属性进行判断当前对象是否被创建

 // 不要用这种方式
 public class Singleton
 {
     private static Singleton _instance = null;
     private Singleton() { }
     public static Singleton CreateInstance()
     {
         if (_instance == null)
         {
             _instance = new Singleton();
         }
         return _instance;
     }
 }

上面的方法是非线程安全的，多个不同的线程可以同时进入这个方法，如果instance为空的并且这里返回真的情况下，都可以创建实例，这显然违反了单例模式，实际上，在测试以前，实例就已经有可能被创建了，但是内存模型不能保证这个实例能被其他的线程看到，除非合适的内存屏障已经被跨过了

我们把上面的代码优化一下

     /// <summary>
     /// 单例类：一个构造对象很耗时耗资源类型
     /// 懒汉式单例模式
     /// </summary>
     public class Singleton
     {
         /// <summary>
         /// 构造函数耗时耗资源
         /// </summary>
         private Singleton()
         {
             long lResult = ;
             for (int i = ; i < ; i++)
             {
                 lResult += i;
             }
             Thread.Sleep();
             Console.WriteLine("{0}被构造一次", this.GetType().Name);
         }
         /// <summary>
         /// 3 全局唯一静态  重用这个变量
         /// </summary>
         private static volatile Singleton _Singleton = null;
         //volatile 促进线程安全 让线程按顺序操作
         private static readonly object Singleton_Lock = new object();
         /// <summary>
         /// 2 公开的静态方法提供对象实例
         /// </summary>
         /// <returns></returns>
         public static Singleton CreateInstance()
         {
             if (_Singleton == null)//是_Singleton已经被初始化之后，就不要进入锁等待了
             {
                 lock (Singleton_Lock)
                 //保证任意时刻只有一个线程进入lock范围
                 //也限制了并发，尤其是_Singleton已经被初始化之后
                 {
                     //Thread.Sleep(1000);
                     //Console.WriteLine("等待锁1s之后才继续。。。");
                     if (_Singleton == null)//保证只实例化一次
                     {
                         _Singleton = new Singleton();
                     }
                 }
             }
             return _Singleton;
         }

         //既然是单例，大家用的是同一个对象，用的是同一个方法，那还会并发吗  还有线程安全问题吗？
         public int iTotal = ;
         public void Show()
         {
             //lock (Singleton_Lock)
             //{
                 this.iTotal++;
             //}
         }

         public static void Test()
         {
             Console.WriteLine("Test1");
             Console.WriteLine(_Singleton.iTotal);
         }

     }

前端调用

                {
                     List<Task> tasks = new List<Task>();
                     for (int i = ; i < ; i++)
                     {
                         tasks.Add(Task.Run(() =>
                         {
                             Singleton singleton = Singleton.CreateInstance();
                             singleton.Show();
                         }));
                     }
                     Task.WaitAll(tasks.ToArray());
                     Singleton.Test();
                     //iTotal 是0  1   10000  还是其他的
                     //其他值，1到10000范围内都可能   线程不安全

                 }

运行代码我们会发现一个问题

iTotal 是0  1   10000  还是其他的，

其他值，1到10000范围内都可能   线程不安全
为什么呢？造成这种情况的原因单例执行singleton.Show()方法时 iTotal在等于某个值时被附加多次，由此得到结论：
即使是单例，变量也不是线程安全的，单例不是为了保证线程安全
如何优化？给show方法加把锁

         public void Show()
         {
             lock (Singleton_Lock)
             {
                 this.iTotal++;
             }
         }

单例还有另外的写法，以上是懒汉式单例模式，下面我们来看看饿汉式

利用静态构造函数 程序第一次使用这个类型前被调用，且只调用一次

     /// <summary>
     /// 单例类：一个构造对象很耗时耗资源类型
     ///
     /// 饿汉式
     /// </summary>
     public class SingletonSecond
     {
         /// <summary>
         /// 1 构造函数耗时耗资源
         /// </summary>
         private SingletonSecond()
         {
             long lResult = ;
             for (int i = ; i < ; i++)
             {
                 lResult += i;
             }
             Thread.Sleep();
             Console.WriteLine("{0}被构造一次", this.GetType().Name);
         }
         /// <summary>
         /// 静态构造函数:由CLR保证，程序第一次使用这个类型前被调用，且只调用一次
         ///
         /// 检测，初始化
         /// 写日志功能的文件夹检测
         /// XML配置文件
         /// </summary>
         static SingletonSecond()
         {
             _SingletonSecond = new SingletonSecond();
             Console.WriteLine("SingletonSecond 被启动");
         }

         private static SingletonSecond _SingletonSecond = null;
         public static SingletonSecond CreateInstance()
         {
             return _SingletonSecond;
         }//饿汉式  只要使用类就会被构造

     }

另外一种类似的，利用静态字段创建对象

     /// <summary>
     /// 单例类：一个构造对象很耗时耗资源类型
     /// 饿汉式
     /// </summary>
     public class SingletonThird
     {
         /// <summary>
         /// 构造函数耗时耗资源
         /// </summary>
         private SingletonThird()
         {
             long lResult = ;
             for (int i = ; i < ; i++)
             {
                 lResult += i;
             }
             Thread.Sleep();
             Console.WriteLine("{0}被构造一次", this.GetType().Name);
         }

         /// <summary>
         /// 静态字段：在第一次使用这个类之前，由CLR保证，初始化且只初始化一次
         /// 这个比今天构造函数还早
         /// </summary>
         private static SingletonThird _SingletonThird = new SingletonThird();//打印个日志
         public static SingletonThird CreateInstance()
         {
             return _SingletonThird;
         }//饿汉式  只要使用类就会被构造

         public void Show()
         {
             Console.WriteLine("这里是{0}.Show", this.GetType().Name);
         }

     }

本文参考文档：https://csharpindepth.com/Articles/Singleton#unsafe